Von der Regelung zur Online-Optimierung

1. Von der Regelung zur Online-Optimierung Sebastian Engell Lehrstuhl für Anlagensteuerungstechnik Fachbereich Bio- und Chemieingenieurwesen Universität Dortmund

2. Übersicht • Verfahrenstechnische vs. regelungstechnische Sicht auf die Anlage • Modifiziertes Verständnis der Regelung • Reglerstrukturauswahl • Kopplung von Regelung mit online Optimierung • Direkte optimierende Regelung • DFG-Paketantrag „Optimierungsbasierte Regelung verfahrenstechnischer Prozesse“

3. Störung Strecke Sollwert Regler Verfahrenstechnische vs. regelungstechnische Sicht auf die Anlage

4. Was ist zu tun? Sollwerteinregelung Wo ist überhaupt Folgeregelung gefragt? Störungsausregelung Welche Größen sollen konstant gehalten werden? Stellgröße Störung t t Regelungstechnische Sicht ? ? ? Regelgröße

5. Schwächen der klassischen regelungstechnischen Herangehensweise • Führungsverhalten steht an erster Stelle „schöne Sprungantwort“, Optimalität • Nachfahren von Sollwerten selten gefordert • meist für Hilfsgrößen relevant

6. Beheizungsanlage der Kolonne Qheiz

7. Schwächen der klassischen regelungstechnischen Herangehensweise • Führungsverhalten steht an erster Stelle „schöne Sprungantwort“, Optimalität • Nachfahren von Sollwerten selten gefordert • meist für Hilfsgrößen relevant • Aufgabenstellung wird als extern vorgegeben angenommen, ist aber häufig entscheidend und erfordert auch regelungstechnischen Sachverstand.

8. Störung Sollwert Regler Strecke Beispiel Reaktionskolonne xMeAc R Feed T

9. Stationäre Kennlinien der Kolonne

10. Schwächen der klassischen regelungstechnischen Herangehensweise • Führungsverhalten steht an erster Stelle „schöne Sprungantwort“, Optimalität • Nachfahren von Sollwerten selten gefordert • meist für Hilfsgrößen relevant • Aufgabenstellung wird als extern vorgegeben angenommen. • Regelungstechnik wird als untergeordnete Hilfsfunktion aufgefasst. • Umfangreicher „Werkzeugkasten“ bleibt meist ungenutzt, außer wenn es „brennt“. • Beide Seiten unterschätzen das Potenzial!

11. Modifiziertes Verständnis der Regelung • Zweck der Regelung ist nicht die möglichst gute Einhaltung von Sollwerten sondern die Sicherstellung des • sicheren • anforderungsgerechten • wirtschaftlich optimalen Betriebs von Anlagen trotz • erheblichen Abweichungen der Realität von der Planung. • Regelung sollte als Mittel zur Optimierung unter Unsicherheit gesehen werden!

12. Übersicht • Verfahrenstechnische vs. regelungstechnische Sicht auf die Anlage • Modifiziertes Verständnis der Regelung • Reglerstrukturauswahl • Kopplung von Regelung mit online Optimierung • Direkte optimierende Regelung • DFG-Paketantrag „Optimierungsbasierte Regelung verfahrenstechnischer Prozesse“

13. Reglerstrukturauswahl • Traditionelle Sicht: • Auswahl der Regelungsstruktur erfolgt im wesentlichen im Hinblick auf das dynamische Verhalten. • Neue Sicht: • Bewertung zuerst im Hinblick darauf, ob der ökonomisch optimale Betrieb erreicht wird in Gegenwart von • Abweichungen zwischen Modell und Realität • Störungen • Einhaltung von Sollwerten ist ein Mittel zur vereinfachten Realisierung einer Optimierung! • Dynamik wird im zweiten Schritt untersucht.

14. Prinzip der Regelungsstrukturauswahl • Betrachtung einer ökonomischen Gütefunktion J • Stellgrößen u sind eigentlich freie Variablen zur Optimierung des Prozesses, • werden bei Regelung festgelegt durch Fixieren gemessener Größen yauf feste Sollwerte. • Kostenfunktion wird für verschiedene Störungsszenarios betrachtet, hieraus ergeben sich geeignete Strukturen. ≈ ysoll +y y Regler -J Jerwmax J u +u u Prozess d

15. Übersicht • Verfahrenstechnische vs. regelungstechnische Sicht auf die Anlage • Modifiziertes Verständnis der Regelung • Reglerstrukturauswahl • Kopplung von Regelung mit online Optimierung • Direkte optimierende Regelung • DFG-Paketantrag „Optimierungsbasierte Regelung verfahrenstechnischer Prozesse“

16. Re-Optimierung Parameterschätzung Störung y(t) Sollwerte y(t) u(t) Regler Strecke t Kombination von Regelung mit Optimierung • Optimale Sollwerttrajektorie:

17. Kommentare • Für die Auswahl der geregelten Größen gelten dieselben Überlegungen wie im Fall fester Sollwerte. • Standardlösung in der Petrochemie ist die Einregelung der optimierten Sollwerte mittels linearer modellprädiktiver Regelung.

18. jetzt y u Prädiktive Regelung Vergangenheit Zukunft Sollwert jetzt Berechnung der Stellgrößen durch Lösen eines Optimierungs- problems mit Beschränkungen Hp k Hr

19. Kommentare • MPC wird standardmäßig mit linearen Modellen eingesetzt • Handhabung von harten Beschränkungen • Sicherheitsmarge erforderlich, sonst keine Regelung möglich • Verlust der Optimalität • Verteilung der Freiheitsgrade? • Gesamtschema kann recht komplex werden.

20. Messungen Anlage SMB Prozess Eingänge Prädiktive Regelung Reduziertes Modell Parameter- schätzung Identifikation lokaler Modelle Modellbasierte Optimierung Optimale Betriebsparameter Simulationsdaten Modellparameter Hierarchisches Konzept zur Regelung von SMB-Prozessen (Klatt et al.) On-Line Off-Line

21. Alternative: Direkte optimierende Regelung • In der modellprädiktiven Regelung wird online ein Optimierungsproblem mit Beschränkungen gelöst. • Dies ist im Prinzip auch möglich für beliebige nichtlineare Modelle. • Warum dann zweimal optimieren? • Formulierung eines Reglers, der auf bewegtem Horizont ein ökonomisches Kostenfunktional optimiert, dabei Formulierung der Qualitätsanforderungen als Beschränkung • Nutzung aller Freiheitsgrade • Keine unnötigen Sollwertvorgaben (Einfrieren von FG) • Nur ein Modell statt verschiedener für Regelung und Optimierung, nur eine integrierte Optimierung

22. Störungen Direkte optimierende Regelung Kosten- funktion Optimale Produktion Nicht Online Optimierung Optimierung Freiheits- grade Anlage Messgrößen Zustands-schätzung

23. Regelung durch Optimierung (A. Toumi) Beispiel SMB-Chromatographie Gütefunktion: Durchsatz Freiheitsgrade s.t. Prozessmodell Reinheitsforderung als Beschränkung! Maximaler Druckverlust

24. Voraussetzungen • Strukturell richtiges Prozessmodell verfügbar • Prozess nicht zu schnell • Zahl der Freiheitsgrade nicht zu hoch und vernünftiges Verhältnis von Optimierungshorizont und Abtastzeit • Effiziente Lösung des Optimierungsproblems möglich

25. Forschungs- und Entwicklungsbedarf • Praxisrelevante Problemformulierungen • Vortrag Busch • Optimierungsmethoden • Echtzeitoptimierung ist mehr als schnelle Optimierung • Vortrag Diehl • Sicherheit • Sicherung der Stabilität • Verhalten bei Modellfehlern, Einfluss der Zustandsschätzung • Vortrag Findeisen • Realisierung von Anwendungen • Vortrag Küpper

26. DFG-Paketantrag Optimierungsbasierte Regelung verfahrenstechnischer Prozesse • Projekt Allgöwer (Stuttgart) • Regelungstechnische Grundlagen • Stabilität, Zustandsschätzung • Projekt Bock/Schlöder (IWR Heidelberg) • Optimierungsverfahren v.a. unter Echtzeitaspekten • Handhabung von Unsicherheit • Projekt Marquardt (Aachen) • Anwendung auf Abwasseraufbereitung mit Membrantrennung • Dekomposition, hierarchische Steuerung • Projekt Engell (Dortmund) • Anwendung auf Varianten von SMB-Prozessen • Periodische Prozesse, Zustandsschätzung